基于3S技术的长白山自然保护区湿地分类及分布研究

卢 书 兵，朱 卫 红，李 洪 楠

基于3S技术的长白山自然保护区湿地分类及分布研究

卢 书 兵1，朱 卫 红2＊，李 洪 楠3

（1.北京师范大学资源学院，北京 100875;2.长白山生物资源与功能分子教育部重点实验室，吉林 延吉 133002;3.曲阜市国土资源局，山东 曲阜 273002）

利用3S技术与实地调查相结合对长白山自然保护区的湿地系统进行了分类，从ALOS卫星影像提取土地覆被信息，将其与研究区的地貌、地形、水系等环境因子进行空间叠加分析，把该地区的湿地划分为2个系统、5个子系统和14个类型，并绘制出湿地分布图，研究湿地分类及空间分布特征。研究表明：1）从水平分布上看，湿地受地貌和水文影响较为明显。北坡坡度较小，易积水，沼泽湿地分布较多;南坡地势起伏较大，河网稀疏且多季节性河流。2）从垂直分布上看，沼泽湿地在山体上垂直分布特点较明显，沼泽以各种森林沼泽为主。河流湿地以长白山火山锥体为中心呈放射状分布，随海拔降低、坡度变缓而加宽。3）从景观破碎度上看，长白山自然保护区湿地总体景观破碎度较小，森林沼泽和高山苔原景观破碎度较大，受人为干扰明显。

湿地类型;分布特征;3S技术;长白山自然保护区

0 引言

湿地是人类重要的生存环境和自然界最富生物多样性的生态景观之一［1］。适当的湿地分类方法是湿地资源保护、利用和管理的基础，也是湿地资源清查及评价工作中必须解决的基本问题［2］。在湿地分类研究方面，各个国家的划分依据、指标与分类系统不尽相同，如Bellamy提出的欧洲泥炭地水文分类［3］，美国鱼类和野生动物保护协会的湿地分类，20世纪80年代三江平原沼泽的综合分类等［4］。近年来，3S技术的逐渐成熟给湿地调查研究带来了广阔前景，国内外许多地区采用遥感技术对湿地资源进行调查研究［5］。例如，Ahmed等利用 ETM/TM/ASTER影像识别、检测北非沿海泻湖特征及环境重大变化［6］;买凯乐等基于ALOS卫星数据，对黄土丘陵典型流域景观类型进行了分类识别［7］;邓茂林等运用TM影像对若尔盖高原湿地景观格局动态变化进行定量研究，揭示了湿地变化特征、原因及驱动力［8］。

长白山自然保护区是我国同纬度上动植物资源最为丰富的区域，其湿地在维系东北地区生态平衡、保护生物多样性等方面发挥着极其重要的作用。本研究采用3S技术和实地调查相结合的方法，对长白山自然保护区的湿地进行了监测和分类，并分析了湿地空间分布特征，以期为长白山自然保护区湿地资源利用与可持续发展提供参考依据。

1 研究区与数据源

长白山自然保护区位于吉林省东南部，行政区域地跨延边州的安图县、白山市的抚松县和长白朝鲜族自治县，总面积1 964.65 km2。长白山区属于受季风影响的温带大陆性山地气候，年均气温3～7°C，最低气温曾达－44°C;年降水量700～1 400 mm，降水量随海拔高度升高逐步增加，6－9月份的降水量约占全年降水量的80%以上。由于气温低，降水量大，蒸发量小，使得长白山地区年均相对湿度在70%左右［9］。

采用的遥感数据为2008年10月1日ALOS卫星影像，全波段空间分辨率达2.5 m，多波段空间分辨率为10 m，影像的成像质量和成像时的天气状况良好，能较好地反映地表信息。遥感数据处理主要是利用ENVI4.7对ALOS数据进行导入、几何精校正、裁切等预处理，主要提供用于计算机自动分类的影像（波段4、3、2合成的影像）以及配准后的各种辅助判读资料等。非遥感数据包括1∶1万数字化地形图、实地考察GPS数据、土壤图、林班数据、DEM等数据。在ArcGIS9.3平台下，利用Hydrology模块对DEM栅格数据进行洼地区域提取并计算洼地深度。为了反映高程、坡度等地貌对湿地空间分布特征的影响，根据长白山植被垂直景观带将DEM栅格数据重新分类。利用Shtrahler分级方法对DEM数据进行河网分级，级别越高，汇流累积量越大，一般是主流，而级别较低的河流一般是支流［10］，并对分级后的河流做缓冲区处理。

2 湿地分类系统与湿地信息提取

2.1 湿地分类系统

按照《湿地公约》的分类系统和国内通用的湿地调查分类方法，结合研究区湿地立地特征，将湿地分为河流、湖泊、沼泽、高山湿地、人工湿地五大系统;按照湿地的水文特征分别把河流型湿地、湖泊型湿地和沼泽型湿地分成永久性和季节性两个子系统;结合湿地的植被特征把湿地划分为14个类型（表1）。

表1 长白山自然保护区湿地分类体系Table 1 The wetland classification system of Changbai Mountain Nature Reserve

2.2 土地覆被信息提取

本次土地覆被信息提取采用遥感技术结合野外实地调查的方法进行。由于长白山自然保护区地貌类型复杂多样，为避免对地物误分、混分，在解译过程中需充分利用地形、地貌、水文等辅助数据，运用地学相关分析方法，综合影像色调、亮度、饱和度、形状、纹理和结构等特征并结合野外工作经验建立不同类型的解译标志［11］。

在ENVI4.7平台下，对ALOS卫星影像进行几何精校正、波段组合、图像增强以及图像融合等处理，形成遥感解译基础数据;同时将研究区划分为高山苔原、岩石裸地、岳桦林、高山草甸、针叶林、落叶松林、针阔混交林、阔叶林、水体9种土地覆被类型，根据已建立的土地利用分类系统和遥感判读解译标志，利用AOI工具选取训练模板，对训练模板的可能性矩阵和分类模板精度进行评价，并对遥感图像进行监督分类，最后结合人机交互式屏幕目视解译绘制长白山自然保护区土地覆被图［12］。

2.3 湿地信息提取

河流湿地、湖泊湿地、人工湿地可直接在土地覆被图或地形图上识别（图1），而沼泽湿地多分布在林下，长白山自然保护区森林覆被率达85.4%，且森林郁闭度较高，无法通过影像解译直接提取相关信息，可根据沼泽湿地立地特征建立决策树，通过多源数据叠加分析确定其分布范围（图2），最后绘制出研究区湿地分布图（图3），对验证样本和分类结果进行一致性比较，总体精度85.5%，并统计得出各环境因子上湿地面积占长白山自然保护区湿地总面积的比例。长白山自然保护区湿地总面积830 km2，其中河流湿地29.65 km2、沼泽湿地694.72 km2、高山湿地（苔原湿地54.6 km2、草甸40.4 km2）95 km2、湖泊湿地9.8 km2、人工湿地0.003 km2。

图1 河流湿地、湖泊湿地、人工湿地信息提取流程Fig.1 The information extraction flow of river wetland，lake wetland，constructed wetland

3 结果分析

湿地形成的决定性因素是地质地貌、气候和水文条件，而植被、土壤和其他因素仅仅是影响因素。在大的地理尺度上，具备适宜的降水、温度、蒸发组合，保证水分充足，地质地貌上保证有一定的汇水区和积水区且地表隔水，水文适宜，水流缓慢，水质适宜，才能保证地理尺度上湿地集中分布［13］。长白山是一个年轻的、典型的火山地貌区域，塑造了流水地貌、喀斯特地貌等多种地貌类型，长白山自然保护区内河谷、槽沟、峡谷广布，地势起伏悬殊、地形破碎，地貌和水文成为湿地的主要限制因素。

3.1 湿地分布与地形、地貌的关系

3.1.1 湿地分布与坡度的关系 湿地的形成与发育受地貌的影响。相对负地形往往是区域汇水中心和物质沉积区，多为湿地分布区。长白山自然保护区湿地多分布在坡度0°～8°的地区，这一带地势低缓，水分充足，土壤湿润，在低洼平缓滩地产生滞水，不断发生沼泽化过程，草本植物残体难以完全分解，在土壤中形成厚度不均的潜育层或泥炭层。由于融冻作用常常形成半圆形的冻胀草丘，丘间洼地常年积水，沼泽湿地分布极广。在海拔1 100～1 800 m的针叶林带，坡度较大，排水良好，不易形成湿地;但由于气候冷湿，蒸发量小，使得本区局部低洼地段分布有小面积湿地（如藓类沼泽等），多分布在5°以下洼地区域，与我国湿地初步遥感制图大致吻合［14］。

3.1.2 湿地分布与高程的关系 长白山以沼泽湿地、高山湿地垂直分布特征最为显著。海拔720～1 100 m为落叶阔叶林和针阔混交林带，地势平坦，排水不畅，沼泽湿地分布广且类型丰富，森林沼泽占总湿地面积17.8%，其他类沼泽面积占总湿地面积78.1%。本区落叶松森林沼泽分布较多，有富营养型长白落叶松－油桦－苔草群落、中营养型长白落叶松－油桦－笃斯越橘－藓类群落和贫营养型长白落叶松－狭叶杜香－泥炭藓群落;在平坦的沟谷、河滩、火口湖及堰塞湖中，尚有苔草群落、苔草－藓类群落、油桦－苔草群落和柳叶绣线菊－苔草群落。群落地表平坦低洼，有季节性积水，地下水位较高（距地表20～40 cm），水分来源以地下水和地表径流为主，汛期有河水补给土壤为沼泽土和泥炭沼泽土，泥炭层较薄。高山湿地是本区特有的湿地，仅分布在海拔1 500 m以上地带。高山草甸湿地连片分布，面积最大的为17.7 km2，其次是张草帽顶草本沼泽，面积为5.12 km2，其它地方分布较少。王池花园、鸢尾花园等旅游景区也是典型的高山草甸湿地。依据《Ramsar公约》湿地分类系统，长白山苔原也归属于内陆湿地中的苔原、高山湿地类型，这里土壤有机质丰富，发育了以小灌木、苔藓和地衣为主的冷湿型苔原植被。在海拔1 701～2 100 m，高山苔原湿地面积占总湿地面积的76.6%。

3.2 湿地分布与河流的关系

从水文上看，长白山自然保护区内河流众多，主要有头道江主要支流漫江、锦江、梯子河、松江河、槽子河和二道江主要支流头道白河、二道白河、三道白河。沼泽湿地以河流为中心，沿河流两侧浅水区或低洼潮湿积水地段呈条带状分布。河流型湿地的分布随着河流两侧地貌及滩地积水差异呈不规则扩展，在水流缓慢及河床为淤泥地段分布更为明显。长白山山体受到强烈切割，在火山锥体上除了自天池向周围呈放射状流出众多河流以外，还分布着密集的沟谷，逢汛期形成溪流，成为季节性河流，缓冲区狭窄（约2.5 m），与一级河流缓冲区接近。以南坡望天鹅主峰为中心放射性河流最为典型。一般情况下，河流上游比降大，水流湍急，排水条件良好，不易发育湿地;河流中下游比降小，坡度变缓，流域面积迅速扩大，河水易泛滥，易发生湿地化过程，湿地率较大。

3.3 湿地景观格局特征

为了进一步分析湿地景观结构数据，引入景观斑块破碎度指数FN［15］反映景观空间结构的复杂性。计算公式为：

式中：FN1为研究区域的景观破碎度指数，FN2为某一景观类型的破碎度指数，NC为景观总面积，Np为景观中斑块总数，MPS为景观中各类斑块的平均面积，Nf为某一景观类型的斑块数。依据上式，利用Fragstats软件和ArcGIS9.3软件计算得到湿地景观类型面积、斑块数和景观破碎度指数（表2）。

表2 长白山自然保护区湿地类型及统计数据Table 2 The wetland classification and landscape characteristics statistics of Changbai Mountain Nature Reserve

FN1和FN2的值隶属于［0，1］，其值愈接近1，景观破碎化程度愈深。从表2可见，该区域景观斑块破碎化指数为0.034，表明其破碎化程度较低。森林沼泽湿地是长白山自然保护区主要湿地类型，FN2值为0.5334，明显高于其它景观类型;其他沼泽湿地FN2值较大，为0.2959，主要由于森林砍伐、毁林造田和其他人类活动的影响造成的;FN2值最小的为高山苔原湿地和高山草甸湿地，随着长白山旅游人次增加，苔原也呈退化趋势，体现出人类活动对湿地各景观类型的干扰程度。

4 结论

本研究利用野外实地调查和3S技术相结合，建立长白山自然保护区湿地分类系统，探讨长白山自然保护区主要湿地类型及其分布特点，基本上概括了长白山自然保护区的湿地类型。长白山自然保护区湿地类型极为丰富，自然湿地占绝对优势。沼泽湿地是本区主要湿地类型，占湿地总面积的83.7%，包括草本沼泽、灌丛沼泽、森林沼泽、藓类沼泽、沼泽化草甸、地热温泉等湿地型，其中森林沼泽所占比重较大。长白山自然保护区湿地的形成，受诸多自然要素和人文要素相互作用、相互影响和制约，包括水文、土壤、植被、气候、地质地貌、人类活动等方面，其中地貌和水文成为湿地分布的主要限制因素。

从地貌和水文上看，湿地主要分布在研究区的广大低地、沟谷、山地缓坡处、湖泊附近和河滩、阶地处。长白山最高峰海拔2 749 m，山地植被受地形影响强烈，植被具有明显的垂直分布规律，沼泽湿地、高山湿地垂直分布特征最为显著。

从景观破碎度上看，长白山自然保护区总体景观破碎度为0.034，受人为干扰程度较小。森林沼泽湿地和高山苔原湿地景观破碎度较大，受人为干扰明显。随着近年来森林采伐和旅游资源的开发，高山苔原湿地受到一定程度破坏。当前，长白山自然保护区湿地面临的生态环境问题日益突出，湿地的保护与恢复迫在眉睫。鉴于此，全面调查长白山自然保护区湿地资源，探讨其空间分布特征，对制定科学的湿地利用和保护策略进而实现长白山自然保护区湿地资源的可持续利用具有重大意义。

长白山自然保护区管委会为资料搜集提供了帮助，此致谢忱！

［1］吕宪国，刘晓辉.中国湿地研究进展［J］.地理科学，2008，28（3）：301－308.

［2］朱卫红，南颖.基于3S技术的图们江下游湿地系统分类及分布特征研究［J］.东北师范大学学报，2007，39（3）：106－113.

［3］BELLAMY D J.An ecological approach to the classification of the lowland mires in the Europe［A］.Proceeding of the Third International Peat Congress［C］.Elek Science，London，1968.221.

［4］邓伟，白军红，胡金明，等.黄淮海湿地系统分类体系构建［J］.地球科学进展，2010，25（10）：1024－1026.

［5］刘克，赵文吉，杜强，等.北大港湿地动态变化特征研究［J］.资源科学，2010，32（12）：2356－2363.

［6］AHMED M H，EI LEITHY B M，THOMPSON J R，et al.Application of remote sensing to site characterisation and environmental change analysis of North African coastal lagoons［J］.Hygrobiologia，2009，622（1）：147－171.

［7］买凯乐，张文辉.基于ALOS影像的黄土丘陵区典型流域景观空间格局［J］.应用生态学报，2011，22（3）：741－747.

［8］邓茂林，田昆，杨永兴，等.高原湿地若尔盖国家级自然保护区景观变化及其驱动力［J］.生态与农村环境学报，2010，26（1）：58－62.

［9］吉林省林业调查规划院.吉林长白山国家级自然保护区总体规划（2008－2015）［R］.2007.9－15.

［10］汤国安，杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程［M］.北京：科学出版社，2006.439－447.

［11］徐新良，刘纪远，庄大方，等.基于3S技术的中国东北地区林地时空动态特征及驱动力分析［J］.地理科学，2004，24（1）：56－58.

［12］吴学伟，张新利，龚文峰，等.基于3S技术的湿地生态景观格局动态变化的研究［J］.测绘与空间地理信息，2009，32（2）：10－12.

［13］吕宪国.中国湿地与湿地研究［M］.河北科学技术出版社，2008.187.

［14］宫鹏，牛振国，程晓，等.中国湿地初步遥感制图及相关地理特征分析［J］.中国科学（地球科学），2009，39（2）：188－203.

［15］黄青，王让会，吴世新，等.基于RS和GIS的西溪湿地景观格局变化研究［J］.干旱区资源与环境，2007，21（9）：72－75.

Study on Wetland Classification and Distribution in the Changbai Mountain Nature Reserve Based on 3S

LU Shu－bing1，ZHU Wei－hong2，LI Hong－nan3
（1.CollegeofResourcesScienceandTechnology，BeijingNormalUniversity，Beijing100875;2.KeyLaboratoryofNaturalResourcesofChangbaiMountain＆FunctionalMolecules，MinistryofEducation，YanbianUniversity，Yanji133002;3.QufuMunicipalBureauofLandandResources，Qufu273002，China）

This study discussed the stand characteristics of the wetlands system in Changbai Mountain area by"3S"technology and field surveys.In this paper，the wetlands was divided into two systems：natural wetlands and artificial wetlands.Further the natural wetlands was divided into five subsystems based on the hydrological characteristics.Finally，14 types of wetlands was divided and their distributions were shown after the wetlands distribution in Changbai Mountain Nature Reserve was plotted.Forest wetlands can′t be obtained by traditional methods，and was gotten mainly through field surveys.According to satellite images，topographic maps，terrain and forest maps，natural conditions and the experience of experts from Changbai Mountain Nature Reserve Management Committee，this paper designed inspection route，selected the regional forest wetlands.With the help of GPS，the location and types of wetlands were determined.The results indicated that：1）The main distribution of wetlands was the vast low land，rivers，ravine regions.2）The distribution of forest swamp was wider，and often appeared in the low-lying mountainous areas，near lakes or on the coasts of rivers.3）Seen from landscape fragmentation，the overall was low in Changbai Mountain Nature Reserve，but showed higher landscape fragmentation in the forest swamp and alpine tundra because of human disturbance.

wetland classification;distribution characteristics;3S technology;Changbai Mountain Nature Reserve

P941.78

A

1672－0504（2012）06－0057－05

2012－03- 23;

2012－05－29

国家自然科学基金项目（40961011）;延边大学211重点学科建设项目

卢书兵（1985－），男，博士研究生，研究方向为生态系统管理。＊通讯作者E－mail：whz＠ybu.edu.cn